復雜整體葉輪數控加工關鍵技術研究

武瑞峰

摘? ?要：在我國的高速發展的工業過程中，數控加工以其高速、高效、高精度成為制造業不可缺少的重要環節。因此，掌握數控加工的關鍵技術是提高工業生產的效率和精度的必要途徑。在我國，復雜整體葉輪航天航空發動機、大型艦船、汽輪機、壓縮機等動力機械的發動機及渦輪增壓器中，這種復雜零件的加工精度，直接決定了我國工業生產的效率和大型裝備的精度。在復雜整體葉輪數控加工的過程中的關鍵的技術是復雜整體葉輪加工精度的保障。在下文中，我們將對復雜整體葉輪數控加工進行簡單的介紹，并對其中應用的關鍵技術進行進一步的分析。

關鍵詞：復雜整體葉輪;數控加工;關鍵技術

中圖分類號：TG54? ? ? 文獻標志碼：A

0 前言

葉輪作為動力機械的關鍵部件，廣泛應用于航天航空發動機、大型艦船、汽輪機、壓縮機等動力機械的發動機及渦輪增壓器中。目前，葉輪的加工有以下幾種方法：鑄造成型后修光、石蠟精密鑄造、電火花加工、三坐標仿形銑及五軸聯動機床數控銑削加工。而整體葉輪因其結構復雜，葉片的扭曲大，極易發生加工干涉，同時加工精度及表面質量對部件及整個設備的性能起著至關重要的作用，因此，在加工中的關鍵技術就顯得尤為重要。隨著精密鑄造工藝的發展及新材料的應用，精密鑄造與特種加工在結構復雜的小型整體葉輪加工中有著重要的地位。

對于直徑較大的葉輪，五軸聯動數控數控加工中心及CAM軟件的技術是應用比較普遍的方法。

1 復雜整體葉輪數控加工的介紹

1.1 復雜整體葉輪數控加工的特點

復雜整體葉輪是根據復雜的空間流體動力學理論進行設計得到的，其葉片是均勻分布在輪轂上的，葉片的形狀也都與流體流動的規律相符合。數控加工的難度主要源于其結構復雜，葉片薄、扭曲大易變形，加工時容易發生干涉，相鄰葉片通道狹窄、剛度較低。加工軌跡的約束條件較多，加工過程容易產生形變，極易產生碰撞干涉，刀具容易折斷。因此，復雜整體葉輪數控加工對自動編程軟件和機床的后期處理提出了更高的要求。同時，復雜整體葉輪加工的另一個問題是它的葉片由于曲線的曲率半徑變化較大，容易產生磨損，葉輪的誤差累計問題比較嚴重。所以合理規劃刀具路徑也是非常重要的。

1.2 復雜整體葉輪數控加工的基本流程

復雜整體葉輪數控加工的基本流程大致可以分為這樣幾個階段：首先是加工模型的建立。通過分析葉輪結構特點，選擇合適的造型方法，常用的方法有在CAM軟件中建立葉輪的模型和采用逆向工程建立葉輪的模型，再對重構的葉輪模型結構進行有限元分析進行模型優化。第二步是選擇合理的加工方法，包括加工坐標系的確定、刀路軌跡的設置、工藝參數的確定，如圖1所示是用CAXA制造工程師設置的刀路軌跡。第三步進行仿真加工，驗證是否存在干涉現象。最后結合零件的實際應用需求，設備情況進行零件加工工藝分析，綜合考慮零件加工的刀路軌跡及工藝參數，通過首件試切來驗證刀路設計是否合理，是否滿足設計圖要求，同時驗證工藝過程，包括加工的軌跡及參數驗證是否在能夠達到質量要求的同時效率最高。通過對整個加工過程進行分析、加工參數進行再調整，設計合理的加工工藝，兼顧效率和質量。

1.3 復雜整體葉輪數控加工關鍵技術的現狀

現階段從國際市場上來看，在德、美等國出現了專業的葉輪設計加工編程軟件，使得整體葉輪的編程更加方便快捷，編程人員只需輸入葉輪的設計參數即可。這些軟件使整體葉輪的加工更加簡單方便，同時使加工成本降低，加工周期縮短。但是開發此種軟件需要較高的費用以及較長的時間，目前國內尚沒有采用此種軟件。我國對于整體葉輪加工通常采用CAM 軟件進行建模和編程，通過五軸聯動機床進行加工的方式進行。目前國內針對葉輪的加工研究有：針對五軸機床的非線性誤差計算法、五軸機床的刀具軌跡計算法等。

2 幾種復雜整體葉輪數控加工關鍵技術

2.1 粗加工刀路軌跡設計

粗加工道路軌跡的主要目的是快速去除多余材料，提高加工效率。因此在刀具的選擇上盡可能選擇半徑大的球頭銑刀來加工，粗加工的方法常見的有偏置法和層切法，其中偏置法適用于精毛坯，如鑄造和鍛造毛坯。層切法主要用于毛坯余量比較大的情況。期間，安全平面的設置、起退刀點的設置、層高都會直接影響加工效率。

2.2 精加工刀路軌跡的設計

刀路軌跡的設計是精加工的重要內容，合理的走刀路線方法可以保證加工精度，避免刀痕誤差。其中流道面軌跡設計和葉片的軌跡設計是重要部分。這時合理的刀具傾角及刀具直徑的選擇是保證質量及兼顧效率的關鍵點。在具體的加工過程中常用的如等殘留高度螺旋軌跡生成法等。

2.3 葉片變形控制技術

從上文的介紹分析當中，我們可以了解到，復雜整體葉輪數控技術的應用過程當中很容易出現葉片的變形情況。一旦這種情況產生，將會對葉輪的質量造成很大的影響。目前應用的方法有：采用加工時葉片的有限元分析和對刀具的切削力分析確定加工中切削參數的方法來減小變形，通過提高和增加夾具和輔助支撐剛度的方法降低葉片變形也取得了一定的成效。也可以通過加工余量分配及工藝參數優化等方法，這些技術的綜合應用使復雜整體葉輪出現變形的問題得到了很大程度的改善。

2.4 刀軸矢量改造技術

葉輪加工時，由于葉面扭曲較大，通道狹窄，刀具和葉片之間極易發生干涉現象。使用商用CAM軟件規劃刀位軌跡時，刀軸矢量往往取決于被加工葉片的曲面性質，相鄰刀位點之間的刀軸矢量變化不均勻，使得五坐標數控機床工作臺的回轉或主軸的擺動突然變快或變慢，引起加工過程中切削力突變，輕則造成被加工零件表面質量降低或啃傷，重則會導致刀具損壞，甚至損傷零件。因此，在進行復雜通道類零件刀位軌跡規劃時，需要在非干涉區域內合理規劃刀軸矢量控制和勻化刀軸變化幅度，提高加工過程中的機床穩定性，從而提高零件表面加工質量。

結語

葉輪加工的方法有多種，但目前復雜整體葉輪五軸數控加工是我國葉輪加工的主要方法。應用上文提到的粗加工刀路設計、精加工刀路設計、葉片變形控制技術、刀軸矢量改造技術等方法，在提高葉輪加工精度和葉輪的加工效率方面有著積極的作用。

參考文獻

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